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力学话题有意思的说法，奇妙无比的非牛顿流体，这是本文首次刊登在《力学与实践》1998年，20(1)期，页码范围是72 - 74页，奇妙的非牛顿流体，作者是王振东来自天津大学力学系，天津的邮编为300072，牛顿在1687年公布了以水作为工作介质的一维剪切流动的实验成果，实验是在两平行平板之间充满水的情形下开展的，也就是图1所示的情况，下平板保持固定不动，上平板在它自身的平面里以等速U朝着右边运动，此时附着在上下平板的流体质点的速度分别是U和0，并且两平板间的速度采用线性分布这种样式，基于此得出了声名远扬的牛顿粘性定律，式子里面，τ是作用在上平板流体平面上的剪应力，du/dy是剪切应变率，斜率μ是粘度系数，斯托克斯在1845年依据牛顿的这一实验定律，做出了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性、流体静止时应变率为零这三项假设，借此推导出了在流体力学研究里边广泛运用的线性本构方程，以及现今被广泛使用的纳维－斯托克斯方程，后来人们在进一步的研究进程中弄清楚了，牛顿粘性实验定律以及在此基础上构建的纳－斯方程，对于描绘像水和空气这类低分子量的流体是适宜的，然而对于描绘具备高分子量的流体就不适用了，那个时候剪应力与剪切应变率之间已然不再符合线性关系，为了作区分，人们把剪应力与剪切应变率之间符合线性关系的流体称作牛顿流体，而将不满足线性关系的流体叫做非牛顿流体 。

在人类出现之前，非牛顿流体就已然存在，形形色色的非牛顿流体，种类繁多，极为复杂，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体，人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体，现在去医院作血液测试的项目之一，已不再说是“血粘度检查”，而是“血液流变学检查”(简称血流变)，这就是因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间不再是线性关系，已无法只给出一个斜率(即粘度)来说明血液的力学特性，近几十年来，促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一是聚合物工业的发展，聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龙6，PVS，赛璐珞，涤纶，橡胶溶液，各种工程塑料，化纤的熔体、溶液等都是非牛顿流体，石油，泥浆，水煤浆，陶瓷浆，纸浆，油漆，油墨，牙膏，家蚕丝再生溶液，钻井用的洗井液和完井液，磁浆，某些感光材料的涂液，泡沫，液晶，高含沙水流，泥石流，地幔等也都是非牛顿流体，非牛顿流体在食品工业中也很普遍，如番茄汁，淀粉液，蛋清，苹果浆，菜汤，浓糖水，酱油，果酱，炼乳，琼脂，土豆浆，熔化巧克力，面团，米粉团，以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料，综上所述，在日常生活和工业生产中常遇到的各种高分子溶液，熔体，膏体，凝胶，交联体系，悬浮体系等复杂性质的流体，差不多都是非牛顿流体。

将聚合物加入某种牛顿流体，有时为了能达成工业生产的目的，在改进其性能之际，它会变成为非牛顿流体，像为提升石油产量所使用的压裂液、新型润滑剂等 不是牛顿流体的种种奇妙特性以及应用：射流胀大。要是非牛顿流体被强制从一个大容器流入一根毛细管，接着从毛细管流出的话，能发觉射流的直径于毛细管的直径更大（图2）。射流直径与毛细管直径的比值称作模片胀大率（也叫做挤出物胀大比)kiayun手机版登录下载，对于牛顿流体而言，它取决于雷诺数，其数值大概在0.88至1.12范围内，然而针对高分子熔体或者浓溶液来说，其数值大很多，甚至能够超过10。通常来讲，模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数。模片胀大这一现象在口模设计里非常关键。聚合物熔体从一根矩形截面的管口流出之时，管截面长边处的胀大比短边处的胀大更明显，在管截面的长边中央胀得最为厉害（图3）。所以，要是期望产品的截面是矩形的，口模的形状就不可以是矩形，而必定得是像图4展示的那种形状。这种射流胀大现象也被叫做Barus效应或者Merrington效应 爬杆效应。1944年，Weissenberg在英国伦敦帝国学院公开进行过一个特别有意思的实验。在一只有着粘弹性流体(非牛顿流体的一种)的烧杯里边，转动实验杆。对于牛顿流体，因为离心力的作用，液面会呈现凹形(图5(a))；而对粘弹性流体来讲，却朝着杯中心运动，并且沿着杆向上攀爬kiayun手机版登录.v1008.点进白给你1888.中国，液面变成凸形(图5(b))。

哪怕是在实验杆旋转速度极为低的时候，这一现象也是能够被观察到的，爬杆效应又叫做Weissenberg效应，于设计混合器之际，爬杆效应产生的影响是必须要予以考虑的，同样的，在设计非牛顿流体的输运泵的时候，这一效应也是应该受到考虑以及加以利用的。2.3无管虹吸，对于牛顿流体来讲，在进行虹吸实验时，一旦把虹吸管从液面提起来，虹吸就会立刻终止，然而对于高分子液体，像聚异丁烯的汽油溶液以及1%POX水溶液，又或者是聚醣在水中的轻微凝胶体系等，是很容易开展无管虹吸实验的，当把管子缓缓地从容器里拔出来时，能够看到即便管子已经不再插在流体当中了，流体依旧会源源不断地从杯中被抽起来，持续流进管子里（图6），甚至更为简单的是，连虹吸管都不需要，把装满该流体的烧杯微微倾斜，让流体向下流淌，这一过程只要一开始，就不会停止，一直到杯中流体全部流光为止（图7）。这种无管虹吸的特性是合成纤维拥有可纺性的根基。2.4湍流减阻，非牛顿流体展现出的另外一种奇妙特性是湍流减阻，人们发现，要是在牛顿流体里添加少量的聚合物，那么在既定的速率之下，能够看到拥有显著的压差降，图8呈现出了两种不同浓度的聚乙烯氧化物溶液的管摩擦系数f对于雷诺数R的关系曲线，湍流一直以来都是困扰流体力学界尚未解决的难题，然而在牛顿流体中添加少量高聚物添加剂，就出现了减阻效应，有人报告在添加高聚物添加剂之后，测得猝发周期增大了，觉得是高分子链发挥的作用。

也被称作Toms效应的减阻效应，其中道理虽没弄得特别明白，不过已有不错应用，在消防水中添加少量聚乙烯氧化物的话，能够让消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上，应用高聚物添加剂还可见笔者另一文“春蚕到死丝方尽”能改变气蚀发生过程及其破坏作用　　非牛顿流体除有以上几种有趣性质，具有连滴效应(其自由射流形成的小滴之间有液流小杆相连)，拔丝性(能拉伸成极细的细丝)，剪切变稀，液流反弹等奇妙特性外，还有其他一些受到人们看重的特性，有兴趣读者可从跟从有兴趣的读者可联系有关文献进一步了解　　因为非牛顿流体涉及诸多工业生产部门的工艺、设备、效率以及产品质量，还涉及人自身的生活与健康，所以愈发受到科学工作者正视。1996年8月在日本京都国际会议中心举办的第19届国际理论与应用力学大会(IUTAM)上，非牛顿流体流动属于大会6个重点主题里边的一个，也是流体力学方面参与最为踊跃的那种热情高涨的主题，Crochet邀请报告认为分子溶液和熔体特性远不同于牛顿流，觉得这些异常特性的研究都极具挑战性属于带有挑战性的课题参考文献.1 莱顿.生物系统运动流动性.北京：科学出版社，1980。2 陈克复等.食品流变学及其测量.北京：轻工业出版社，1989。3 王振东.春蚕吐丝到生命尽头——讲述液体的拉丝这一物理现象.力学与和实践，1994，16(1)：75～77。4 陈文芳.非流体力学.北京：科学出版社，1984。5 王仁，关于与何友声等.情况介绍第19届国际理论与应用力学大会(IUTAM).力学与实践且1997，19(月，1)：57～64。